問16(a) 図1に示す降圧チョッパの回路は，電圧Eの直流電源，スイッチングする半導体デバイスS，ダイオードD，リアクトルL，及び抵抗Rの負荷から構成されている。また，図2には，図1の回路に示すダイオードDの電圧vDと負荷の電流iRの波形を示す。降圧チョッパの回路動作に関し，図3～図5に，実線で示した回路に流れる電流のループと方向を示した三つの電流経路を考える。図2の時刻t1及び時刻t2において，それぞれどの電流経路となるか。正しい組合せを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

時刻t1：電流経路(A)，時刻t2：電流経路(B)

令和5年度第三種電気主任技術者下期試験　機械科目問161 解説問16(a) 問16(a)

時刻t1ではダイオードDの電圧vDが電源電圧Eに等しくスイッチSがオン状態であるため電流は電源からS、L、Rへと流れる経路(A)となり、時刻t2ではvDが0VとなりスイッチSがオフ状態であるため電流はダイオードDを介してL、Rへと還流する経路(B)となります。

降圧チョッパは、直流電源電圧をスイッチング素子で断続させることで、負荷に供給する平均電圧を制御する回路です。この回路の鍵となるのが「リアクトルの電流連続性」です。

リアクトルLは、自身を流れる電流の変化を妨げようとする性質を持っています。スイッチSがオフした瞬間に電流が遮断されると、リアクトルは蓄えていたエネルギーを放出し、回路内の電流を維持しようとします。このとき、電流の通り道となるのがダイオードDであり、これを還流ダイオードと呼びます。

回路の状態はスイッチSのオン・オフに応じて以下の二つの状態を繰り返します。

スイッチSがオンの期間：電源電圧EがリアクトルLと負荷Rに直接印加されます。このとき、ダイオードDには逆方向の電圧が加わるため、ダイオードの電圧vDは電源電圧Eと一致します。このとき電流は電源からスイッチ、リアクトル、負荷へと供給されます。
スイッチSがオフの期間：電源との接続が断たれます。このとき、リアクトルの電流を維持しようとする働きによってダイオードDが順方向に導通し、負荷へと電流が流れ続けます。ダイオードが導通しているため、ダイオードの両端電圧vDは0Vとなります。

図2の波形と回路構成を照らし合わせ、以下の手順で各時刻の経路を特定します。

時刻t1における波形を確認すると、ダイオード電圧vDが電源電圧Eに達しています。これはダイオードが逆バイアス状態でオフしており、代わりにスイッチSがオンしている状態を示します。したがって、電源から電流が供給される経路(A)が選ばれます。
時刻t2における波形を確認すると、ダイオード電圧vDが0Vとなっています。これはダイオードが順バイアス状態でオンし、還流回路が形成されている状態を示します。したがって、スイッチSがオフしており、ダイオードを通じて負荷に電流が流れる経路(B)が選ばれます。

スイッチングの周期的な動作と、ダイオードの両端に現れる電圧波形を重ねてみると、エネルギーの供給源がどこにあるのかが見えてきます。